（通信与信息系统专业论文）x波段多普勒测速接收机关键技术研究.pdf

ah s t r a c t n o t o ul y inc iv i l b utai soin而1 1ta 尽五 e l d， d o 即lerveloci ty 一 meas u n n g sy st 曰 盯 is bein g 劝 川 i ed 助d理 犯 dwidely. n o w adays we use ittomea s u 比 evel ocity andgui d epi 毗 s to ” 介 ly俪d ind o u d y and bliz z a rdds y s .itisnot o 川 y u s e d tose ar c h 助d d e t ec t the enemy、 p l ane ， 朋 ， a l ves se l addv e h l c le ， b utal so used toact aswea ponguld anc e ，阴dso on. a l m o s p h e ri o a tt e n ua t i o n fo r xwave b and iss m a 】 1 .s o th e dssi gnand re searc h for th e x wav eb a nddo即iervel ocity一 m o s u n n g r e c e l v eris v e ryn n p o 比 an t . t h l sth e s i s引 泊 d i e ss o m ec ritical d e v 1 ceso fxb andd o p p i ervel oci ty 一 m e a uri叱 re ce i vefront-e n d and si g ll a 1 p r 创 笼 ss in g c ircu l ts . th眼 are fi vecha p t e r s in面s thesis. t 七 e fi rs t c ha p t e r 而6 ates s nnp lythis su bj ect b ac k g r o und ， meamng， dome拓 c an d over sea d e v e l o pment and the 州werk. c 玩 甲 t erz 面ti atos s o r n e b 别 记the。 叮日 加utd o p p l ervel ocity一 韶 u n n g . 几e 氏the chiefsc h e m e ofthe 代 c e i ver is p r e s e n te d .s ub， 月 uent l y，th e 即 山 e r ana l y sisthe k e y recd ver p a “ 甘 n e t e r s usin g a d s 阴d s peci fi c dsv i ces in d e x d i 到 ri b u teofre c e i vefront-e n d ， 供 七 i chis the b asi s ofthe 1 a t erre se ar c b and desi gn. c h a p t e r 3in tr o d u c e s 此 p n n c inle th eoryofl ine pol 出 出 ， t l on 而cros trip别 吐 e n n .， c 。 叩l ed一 l ine b and p as s f i l t e r ， l o wnoi sea m p l ifierand 而x erofx朴b and 泊 刀 d 此 印 吐 her givesthe desi g ns ofthemus ing a d s 冲el n a胡dthe 面xer m 入 il cs， 加 m 山 now 别 加 y s . inthe fo u rt h c b 那 t e r ， the t r aditi 0 na1 m e th eds ofincre as in g the 勿n 刊 旧 i c . ln g e ofthe rece i v e r are ana ly ze d 户 刀 d ana 川 泊 m at 1 c g ain c o d tr o l c ir c ul t i s des i gne d an d s i m u 1 ated . inth e fi 他 c h a p te r， an改 t i vefi lt er 、 a p l a 蛇 ic m odul e and a d i gi tal丘 e q u e n c y c o u n t er are d e s l gne d and s u n u l a t e d oncou n t of此 w b o leper fo n m 旧 叮 c e ofth e sys te m . inthe e n d ofthe thesis， the a u t h ergi ves so me linp r o v e m e n t ad vi se助d e as ilyi gnored poin ts ，w hi ch嫩u beuse甸tothe 细汕e r re se arch onthe work k e y words : x 一 w ave b and ， d o p p l e rec e iv 眠伪n ami c ra n g e 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果， 尽我所知， 在本 学位论文中，除了加以 标注和致谢的部分外，不包含其他人已 经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的 材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的 贡献均己在论文 中 作了明确的说明。 研究生签名:年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以 借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门 或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内 容。对于保密 论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名: 年月日 硕士论文x波段多普勒侧速接收机关键技术研究 1 绪论 ， . ， 课题背景及意义 雷达 是英文 r 泊 d ar 的音 译， 是英文 r 祖 1 o d et e ctionan d r . 1 咖9 的 缩写， 意思 是“ 无 线电 探测 和 测距” ， 即 用无线电 方法发 现目 标并 测定 他们在空间 的 位置 11 . 二战期间， 由于军事上的迫切需要， 雷达获得了广泛的发展和应用， 战后随着技术的进步， 其性 能日 益完善，应用愈加广泛。 雷达目 前己 在地面、 空中、 海洋以 及外层空间得到广泛应用121 131 ， 地面雷达主要 应用于飞机或空间目 标的探测、 定位和跟踪。 船用雷达可以用来对浮标、 海岸线和船 只等目 标进行定位的导航设备和安全装置， 同时也可用来观测空中目 标。 机载雷达可 以用来探测其它飞机、 船只或陆地上的车辆， 还可用来绘制地形图、 地形回避和导航。 在外层空间， 雷达能协助完成宇宙飞船的导引， 还能用于对陆地和海洋的遥感测试l . 雷达的 辐射信号大致分为连续波和脉冲两大 类。雷达的两个基本功能是: (1 ) 检测反 射目 标的 存在， (2)从接收波形中 提取目 标信息，得到诸如位置、速度、 尺寸之类的 目 标数据。 雷达的工作频率或波段是按照雷达的用途确定的，其范围可从 z mh 吃一直到 3 00g i 比 。工作频率不同的雷达在工程实现时差别很大。 x波段是雷达常用的微波频 段，通常包括 8 一1 2 g hz，其波长为 2. 5 3 .7 s cm 。本文工作系统的频率选定为 1 0 g hz， 波长3 cm。 这个频段在中国无线电 频率分配表内 属于业余无线电 通信频率。 在现代雷达系统结构中， 包括发射机和接收机两部分， 发射机是将基带信号通过 上变频、 功率放大转换成能在信道上传输的射频信号， 通过天线以电 磁波的形式向空 间辐射; 接收机的作用是进行与发射机相反的 处理， 即通过天线收集发射端送来的微 弱的电磁波信号并通过选频器、开关、 低噪声放大、 下变频至中频或零中频， 经解调 后变为基带信号。收发 ( t 瓜)组件是非常重要的组成部分，其性能的好坏直接影响 整个雷达的 性能. 因此， 对多 普勒 测速接收机前端微波接收关键组件的电路设计具有 十分重要的意义。 我们知道， 通过分析雷达回波的幅 度、 相位、 多普勒频率和极化信息等特征， 就 能确定目 标的各种目 标特性。 其中 通过提取目 标回波的多普勒频率对目 标进行测速己 成为现代雷达的一种重要手段。 对目 标速度的测量主要利用电 磁波照射在运动目 标上时所产生的多普勒效应来 进行。 对雷达而言， 当雷达与目 标之间存在相对运动时， 多普勒效应体现为回波信号 的频率与发射信号的频率不相等。 雷达发射电 磁波信号后， 当 遇到一 个向 着雷达 运动 的目 标时， 由 于多普勒效应， 雷达接收到从这个目 标返回的电 磁波信号的频率将高于 l 硕士论文 x波段多普勒侧速接收机关键技术研究 雷达的发射频率。 而当雷达发射的电磁波遇到一个远离雷达方向 运动的目 标时， 则雷 达收到的是低于雷达发射频率的电 磁波信号。 多普勒测速系统正是利用两者频率之间 的 差 值， 即 多 普 勒 频 移儿来 实 现 对目 标 速 度的 测 量。 随着科技的进步， 多普勒测速系统的应用范围越来越广， 作用越来越大. 在民 用 中的应用有用来测量汽车驾驶速度; 机场附近的空中交通安全控制， 在不好的天气里 引导飞机安全降落; 佐证观测天体和人造卫星的 运动: 检测室内 有无运动目 标， 用于 室内 报警15 等等。在军事上的应用有用于监视、导航及对武器的控制和导引 等等. ， . 2 微波接收机发展现状 雷达接收机几乎是伴随着雷达的诞生而出现的， 是雷达不可或缺的组成设备， 随 着雷达技术的发展， 对雷达接收机技术也提出了日 益苛刻的要求， 雷达接收机就好比 雷达的感官，在雷达应用中有着举足轻重的地位。 雷达接收机的设计， 不仅与所检测的信号波形有关， 而且也与回波信号必须与之 竟争的噪声、 千扰及杂波的性质有关。 把接收机设计看作是由噪声中提取所需信号的 问题，同时，也必需将抑制杂波干扰作为雷达接收机设计的重要内容来考虑。总之， 噪声是限制任何雷达能力的 极限因素161 。 随着通信、 导航、 制导、 交通工具测速的迅速发展， 导致迫切需要用微波接收机 探测可能的各种目 标。 因此， 由于微波接收机在上述各方面的各种应用， 使它成为一 个重要的 研究领域19 。 在微波接收机研制方面所取得的进展可以认为是器件和逻辑电路研究的产物， 如 何实现微波接收 机的小型 化， 整体化和高精度始终是其重要的 发展方向。 对接收机的 各项指标， 特别是对接收机微波前端的 线性度指标要求也越来越高门 . 微波电路的设计是一件十分复杂而又繁琐的事， 早期的设计工作主要凭经验， 选 择合适的电路结构和器件后， 主要是靠实验调试，即 根据测量的结果反复 修正电 路， 使它满足预定的 指标要求。 在实际制作电路以 前， 虽然也作一些分析计算， 但为了 使 人工计算能 简便的进行， 往往采用近似的器件模型，并忽略电 路 的一些寄生参量和边缘场效应， 致使理论分析和实际的 情况有很大的差异。 这种传统 的设计方法带有一定的盲目 性，其主要问题是: ( 1) 设计过程很长，工作效率低，且费用十分昂贵。 ( 2 ) 一般情况下， 不可能 获得最佳电 路设计和最优性能。 (3) 无法进行单片 微波集成电 路的 研究工作。 因此， 采用人工设计， 难度很大， 要做到 严格精确的 设计几乎是不可能的。 面对日 益复杂的电 路和系统设计， 采用微波电 路c a d是必然的选择. 计算机辅 助 设 计 (c ad) 微 波 接收 系 统 前 端 关 键 组 件 是当 今 微 波 领 域的 前 沿课 题。 微 波电 路c a d 2 硕士论文x波段多普勒侧速接收机关键技术研究 能够进行如下的工作: ( 1) 微波电路的分析和综合。 ( 2 ) 微波电路的模拟。 ( 3 )最优化设计。 ( 4 )公差分析。 a ghent ads 软 件是为 系 统 和电 路 工 程 师 提 供的， 可开 发 各 种形 式的 射 频 设 计， 它允许工程师定义频率范围、 材料特性、 参数的数量和根据用户的需要自 动产生关键 的无源器件模式. 该软件范围涵盖了小至元器件， 大到系统级的设计和分析。 尤其是 其强大的仿真设计手段可在时域或频域内实现对数字或模拟、 线性或非线性电路的综 合仿真分析与优化， 并可对设计结果进行成品率分析与优化， 从而大大提高了复杂电 路的设计效率，使之成为设计人员的有效工具。 微波接收机发展的趋势是采用微带混合集成电路和单片集成电路 ( m h n c )实现 151 。 m n n c的 采 用 最 大限 度的 减 小了 系 统 的 体 积 和复 杂 程 度。 在 某些 应 用 领 域， 仅 用 一片 m 入 4 1 c芯片就能构成一个接收模块， 使得部件数量减小，重量大大减轻， 价格 大大降低， 可靠性大大提高。 虽然单片的采用减小了系统设计的工作量， 但是要协调 好所有的的单片在不同的 t y l电平状态下完成不同的功能却不是一件容易的事，由 于整个系统集成为一个模块， 所有的腔道连成一片， 一旦自 激， 激励起的强的电磁辐 射将严重干扰其它器件的正常工作， 且由于模块间不能拆卸、 不能单独加电测试， 会 给调试工作带来一定的麻烦. 在 x波段， 满足特定商业的无线通信射频接收机的设计方案己 经比较成熟，许 多 大的 微 波器 件公司 如 川p h a 、 a gi l en t 、 triquint、 h 而tte、 nec等都对该 波 段的 微 波接收体系有许多设计方案， 但基本上都集中在特定的通信系统， 用于多普勒测速系 统的方案相对较少， 基本上都采用传统的 超外差结构。 本次课题的要求是设计出低成 本的连续波多普勒雷达测速系统， 用一次变频代替多次变频实现微波接收前端的小型 化，性能能达到识别目 标的需要。 1 . 3本文的主要工作 本文以 微波接收机测速为 应用背景， 进行x波段多普勒测速系统的 分析与设计， 进行了 微波接收前端一些关键组件的设计仿真和信号处理电路的研究。 在整个课题的 完成过程中，作者的主要工作有: ( 1) 利用 a d s中的系统级仿真功能， 对多普勒测速系统的参量进行了 分析， 对系统性能参量进行了评估。 (2)使用 a d s仿真软件进行了x波段线极化微带贴片天线的设计仿真， 微带 平行藕合线带通滤波器的设计仿真， x波段低噪声放大器的设计仿真， x波段微带 3 硕士论文 x波段多普勒侧速接收机关键技术研究 单平衡混频器的设计仿真. ( 3 ) 进行了自 动增益控制放大器的电路设计和仿真测试。 ( 4 ) 进行了有源滤波、脉冲整形、频率测试的电路设计仿真。 硕士论文x波段多普勒测速接收机关键技术研究 2 多普勒测速接收机的基本理论分析 2. 1 多普勒测速原理简介 多普勒效应川 是波源和观察者有相对运动时观察者接收回波的频率与波源发出 频率有所不同的现象。 远方急驶过来的火车鸣笛声变得尖细( 即频率变高， 波长变短) ， 而离我们而去的火车鸣笛声变得低沉 ( 即频率变低， 波长变长) ，就是多普勒效应的 现象， 同样现象也发生在私家车鸣响与火车的敲钟声。 这一现象最初是由奥地利物理 学家多普勒在1 8 42年发现的。 荷兰气象学家拜斯 巴 洛特在1845年让一队喇叭手站 在一辆从荷兰乌德勒支附近疾驶而过的敞篷火车上吹奏， 他在站台上测到了音调的改 变。这是科学史上最有趣的实验之一。多普勒效应从19世纪下半叶起就被天文学家 用来测量恒星的视向速度。现已被广泛用来佐证观测天体和人造卫星的运动。 雷达对目 标速度的测量主要利用电磁波照射在运动目 标上时所产生的多普勒效 应来进行。 对雷达而言， 当雷达与目 标之间存在相对运动时，多普勒效应体现为回波 信号的频率与发射信号的频率不相等。 雷达发射电磁波信号后， 当遇到一个向着雷达 运动的目 标时， 由于多普勒效应， 雷达接收到从这个目 标返回的电磁波信号的频率将 高于雷达的发射频率。而当雷达发射的电磁波遇到一个远离雷达方向运动的目 标时， 则雷达收到的是低于雷达发射频率的电磁波信号。 多普勒雷达正是利用两者频率之间 的 差 值， 即多 普 勒 频 移儿来 实 现 对目 标速 度的 测 量。 以 下 简要 推导 多 普 勒 频 移与 发 射电 磁 波 频 率fo，目 标 运 动 速度， 之间 的 关 系。 为简化起见，假设雷达信号为窄带连续波信号，其发射信号表示为: 5 (t ) = a cos ( 2 汀 儿 t + 几 )( 2 . 1 . 1 ) 式中，fo为 发射频率;汽为 初 相;a 为 振幅. 在雷达 发射站处 接收到由目 标 发 射的 回 波 信 号5， (t)为 5 ， (t ) = 七 (t 一 丁 ) = 划c o s l z 机(t 一 丁 ) + 几( 2 . 1 .2 ) 式中， r = z r /c， 为回波滞后于发射信号的时间， 其中r 为目 标和雷达站间的 距 离; c 为电 磁波传播速度， 在自 由 空间 传播时 它等于光速;k 为回波的衰减系 数。 如 果目 标固定不动，则距离r 为常数。回波与发射信号之间有固定相位差 2 机 . r = 2 叽 * z r l c = ( 2 二 j 兄 ) * z r( 2 . 1 . 3 ) 它是电 磁波往返于雷达与目 标之间 所产生的相位滞后。 当目 标与雷达站之间 有相对运动时， 则距离r 随时间 变化。 设目 标以 匀速相对于 雷达 站运动， 则 在时间t 时 刻，目 标与雷 达 站间 的 距离r (t)为 r (t ) = 凡一 竹 t( 2 . 1 .4 ) 硕士论文 x波段多普勒侧速接收机关键技术研究 式 中 ， r 。 为t = 0 时的 距离:v， 为目 标相 对 于 雷 达 站的 径向 运动 速 度. 式 (2 . 1 .2) 说明 ， 在t 时 刻 接收 到的 波 形5. (t)上的 某点， 是 在卜: 时 刻发 射的。 由 于通常雷达 和目 标间的 相对运动速度v. 远小于电磁波速度c ，故时延r r 二 里 丝 丝一 与 r o 一 ， .t) 可近似写为 ( 2 . 1 . 5 ) 回波信号比起发射信号来，高频相位差 . ，_ ， 2， _ 。俨=一 2 今。 ， r=- 2 可。 * 一t 札 一f ， t) = 一 二 。 三 兄( r o一 f ， t )( 2 . 1 . 6 ) 尹 是 时间t 的函 数， 在 径向 速 度咋 为 常 数时 ， 产 生 频率 差为 儿 1匆 二 二 - 2 汀 dt ( 21 . 7 ) 这就是多普勒频率，它正比于相对运动的 速度而反比于工作波长久 所以当 用多普勒测速接收机测得目 标的多普勒频移时， 利用式 (2. 得到目 标相对于雷达站的径向 速度。 1 . 7 ) ，就可以 2. 2 多普勒测速系统分类及其性能 按照辐射信号的形成， 多 普勒测速系统可以 分成两大类11 01 ， 即 连续波多普勒测速 系统和脉冲多普勒测速系统. 连续波多普勒测速系统根据其频率是否受调制， 又可以 分为简单的连续波多普勒测速系统和调频连续波多普勒测速系统; 而脉冲多普勒测速 系统按其信号的相干性， 又可以分为自 相干脉冲多普勒测速系统和相干脉冲多普勒测 速系统。 以 上四种体制多普勒测速系统虽然各有其特点， 但是基本组成是相同的， 即 主要包括收发系统、天线、频率测量器或频率跟踪器等. 连续波多 普勒测速系统的优点是比 较简单， 不需要调制， 设备的 体积小、 重量轻， 同时雷达接收到的有用信号功率都集中在该频率附近， 可以百分之百的利用， 其功率 利用系数最高。 其缺点是接收机受发射机直漏信号及其邻近物体反射影响较大， 给接 收机带来了附加误差，从而降低了 其灵敏度. 脉冲体制的多普勒雷达， 当发射机发射信号时， 同步脉冲将接收机封闭， 这样直 漏信号和邻近的反射信号就不会进入接收机， 因而克服了 连续波多普勒雷达的主要缺 点。 多 普勒雷达的测量精度和性能除了 与其工作体制有关外， 还主要取决于以下 几个 方面: ( 1) 雷达的波束数目、配置方式、波束位置角和波束宽度等. 为了 提高测量精 度，总是希望波束宽度窄一些，而它却受天线口 径纵向尺寸约制，无法做到无限窄。 ( 2) 本振的稳定性，混频器的噪声电 平， 收发的隔离度。 硕士论文x波段多普勒侧速接收机关键技术研究 ( 3 )采用的接收机的工作方式，即零中频接收机还是超外差接收机。对于从事 多普勒雷达的设计者来说， 要做到最优的设计， 就是要根据实际的需要来确定其工作 体制，并对上面提到的各项指标进行综合分配。 利用多普勒效应测定飞 行器径向 速度的 无线电 跟踪测量系统。 由 地面向飞行器或 由飞行器向地面发射固定频率的等幅电磁波， 因飞行器与测控站存在相对运动， 接收 信号的频率与发射信号的频率互不相同. 其频率之差就是多普勒频移。 多普勒频移正 比于测控站一航天器方向上的速度分量， 所以测出多普勒频移的大小， 就可获得目 标 对测控站的相对径向速度。 多普勒测速系统有多种形式， 按电磁波辐射源位置不同分 为单程和双程多普勒测速系统;按信号源发射的频率个数分为单频和双频测速系统 1 1 1 单程多普勒测速系统由飞行器上的信标机( 包括带恒温装置的晶体振荡器、 倍频 器和功率放大器) 和地面接收设备 ( 包括接收天线、 锁相接收机、多普勒频移提取器 和测速终端设备) 组成。 信标机向 地面发射无线电信号，由地面天线接收， 直接测量 飞行器到测控站间电波单程传播的多普勒频移， 从而得到距离变化率， 即径向速度数 据。 为了 在飞行器接近和飞离测控站过程中在终端设备不出现多普勒频移的零值和负 值现象， 往往在实现多普勒频移提取时， 人为地加入一个大于最高多普勒频移的偏置 频率， 最后再从测量结果中减去这个频率， 得到真实的测速数据。 这种系统的测量精 度主要决定于飞行器上信标机的频率稳定度。 双程多普勒测速系统通常由地面发射机、 地面接收机、 发射天线、 接收天线和飞 行器上应答机组成. 它是将发射、 接收设备置于同 一测点上， 发射机经天线向飞行器 发送频率高度稳定的信号， 同时将这一信号送至地面接收机作为基准信号。 这个信号 经飞行器应答机转发或飞行器反射返回到观测点。 由于航天器与测控站之间存在相对 运动， 地面接收设备接收到的返回信号的频率就不同于发射信号的频率， 将返回信号 与基准信号比较即可得出信号往返双程的多普勒频移( 对应于飞行器到观测点间距离 变化率的两倍) ，从而获得飞行器的径向 速度。 这种系统的测速数据不受信号源频率 漂移的影响. 如果将发射设备和接收设备分置两地， 则接收设备所提取的信息是上行 信号的多普勒频移与下行信号的多普勒频移之和， 对应于上行与下行距离和变化率。 如以设置在不同位置上的多站接收设备同时接收飞行器转发或反射的信号， 可得到多 个距离和变化率。 两个距离和变化率相减可得到距离差变化率。 这种系统通常采用多 站体制. 双频测速系统多 使用单程双频测速系统， 它的设备组成与单程多普勒测速系统基 本相同。 航天器上的 信标机同时发送两个频率成一定倍数关系的无线电 信号， 经地面 同 一接收机接收后， 分别提取两个多普勒频移并 作相关处理， 可以 消除电 离层对电 磁 波传播速度的 影响， 提高 测速精度. 这种系统还可以 在信标信号上调制遥测信号， 使 7 硕士论文x波段多普勒侧速接收机关键技术研究 用同一条信道完成跟踪和遥测两种功能， 特别适用于近地航天器的跟踪测量。 多普勒测速系统所获得的是径向 速度信息， 在获得初始距离的条件下将速度信息 积分即可得到距离信息。 距离信息的精度主要取决于初始距离的精度。 初始距离可由 其他辅助精密测距设备提供， 如激光测距设备等。 目前已有激光和多普勒测速系统合 一的光电多站测量系统。 多普勒测速系统可以是独立的测量系统， 也可以在连续波多 站系统和微波统一系统中作为测速分系统使用. 2. 3 多普勒测速系统微波接收机体系结构 要想设计接收机前端， 就必须首先熟悉前端的基本概念。 为了能够比较客观、 详 尽地比 较出不同接收前端的性能差异， 微波工程师们规定了一系列旨 在说明前端特性 的指标参数。 这些指标对于接收机的设计具有指导性的作用， 重要性显然是不言而喻 的. 要想了 解接收机前端， 就必须了 解用以说明前端性能的指标特性。 多普勒测速系 统微波接收前端的主要指标有: 灵敏度表征接收机接收微弱信号的能力，通常用最小可检测信号功率 ihai n来表示。 噪声系数 即表征接收系统自 身噪声引入的程度， 定义为输入信号噪声比 / 输出信号噪声比。 增益接收系统对微弱信号的 放大能力. 动态范围和恢复时间 动态范围指接收机能正常工作所容许的输入信号强 度的变化范围，即指最小可探测信号与输入p l db 功率的比值，当输入信号太强时接 收机将发生饱和， 增益下降， 这种现象称为过载. 恢复时间既是指接收机过载后，当 输入电平恢复到正常值时，接收机恢复正常工作状态所经过的时间。 目 前常用的微波接收机体系结构主要有超外差接收机体系结构、 零中频接收机体 系结构、低中频接收机体系结构及数字中频接收机体系结构. “ 超外差” 接收是指将射频输入信号与本地振荡器相乘或差拍，由混频器后的中 频滤波器选出射频信号与本振信号频率的和频或差频。 其主要优点是在低、 中频容易 实现相对带宽较窄， 矩形系数较高的中 频滤波器， 以 提高 接收机的 选择性， 而且 增益 可以 从中 频级获得， 降低了 射频级实现高 增益的 难度。 当 射频信号频率上升到微波甚 至毫米波时， 可以 采用二次变频方法， 以 降 低滤波器实现的难度， 保证接收机的选择 性， 即使在射频频率较低时， 也可以 采用二次 变频， 第一中 频设计为高中 频的方法可 以获得较好的镜像频率抑制. 实际上， 现代接收机射频前端大多数设计为超外差结构。 硕士论文x波段多普勒测速接收机关键技术研究 图2 . 3 . 1 超外差接收机一般框图 图2 ， 3 ， 1 所示就是超外差接收机的 一般框图， 该接收机包含镜像抑制滤波器、 高 频放大器、 混频器、中频放大器、 本地振荡器、中频带通滤波器、中频放大器、 解调 器及自 动增益控制、自 动频率控制等。 信号首先通过选频网络选频， 使干扰减弱， 特 别是镜像干扰;然后，经低噪声高频放大后送到混频器进行下混频，得到中频信号。 中 频 信号 经 过中 频放 大 后 送 到 解调 器 解 调出 基 带 信号 11210 通常超外差式接收机都将中频选得很高， 这样可以在射频阶段对带外镜像信号进 行预滤波， 有时可以在混频级就滤除镜像信号。 有一种特殊的混频器叫做镜像抑制混 频器， 在混频器处理的末级加入相位抵消信号， 以此消除镜像信号。当然还可以通过 规划频率， 使镜像信号落在有用信号的 相邻信道中， 就可以消除镜像信号11 31 。 这样我 们就可以将接收机的中频选得很低。 在集成射频接收机中，消除片外元件的设想促使零中频接收机体系结构的出现。 由于零中频接收机不需要片外高 q值带通滤波器，可以实现单片集成，而受到广泛 的重视。 图2 . 3 . 2 为零中频接收机结构框图。 接收到的射频信号经滤波器和低噪声放 大器放大后， 与正交两路本振信号混频， 分别产生同相和正交两路基带信号。由于本 振信号频率与射频信号频率相同， 因此混频后直接产生基带信号， 而信道选择和增益 调整在基带上进行，由片上的低通滤波器和可变增益放大器完成。 图2 . 3 . 2零中 频接收机一般框图 硕士论文x波段多普勒侧速接收机关键技术研究 零中频接收机在下变频过程中不需经过中频， 且不存在镜像频率干扰， 原超外差 结构中的镜像抑制滤波器及中频滤波器均可省略。 这不仅取消了外部元件， 有利于系 统的单片集成， 降低成本; 还使系统所需的电路模块及外部节点数减少， 降低了接收 机所需的功耗并减少射频信号受外部干扰的机会。不过零中频结构存在着直流偏差、 本 振 泄 漏 和闪 烁 噪声 等问 题 113 1 . 因 此 有 效 地 解决 这些问 题是 保证 零中 频结 构正 确实 现 的前提。 零中 频接 收 机的 直流寄 生失 调 和1 / f 噪声 都 存在于 低频， 为了 避开它 们的 千 扰， 一种简单的思路就是把它们和需要的信号从频谱上分开。 这时， 接收的信号不再变频 到基带， 而是到一个较低的中频。 这种接收机的结构称为低中频接收机， 它与超外差 式相比，不需要高频的带通滤波器， 集成度好，功耗更低;它与零中频接收机相比， 克 服了 直 流 失 调 等 低 频干 扰。 因 此成 为 集 成 接 收 机设 计的 选 择结 构 之 一 【.4jl ，5 。 但 是， 将下变频后的频率从基带变成低中频，带来了镜像信号抑制和双路信号匹配的问题。 在零中频接收机中， 镜像信号就是自 身， 因此对镜像抑制度的要求比较低。 而在低中 频接收机中， 镜像信号可能比有用信号高很多， 需要大镜像抑制和双路信号地精确匹 配， 这是该结构的 最大缺点。一般的正交结构只能提供 2 6 db左右的 镜像抑制l61， 远 远不能达到要求。 它适用于信号本身在中心频率携带信息， 但对镜像信号的抑制要求 不高的场合。 在数字中频接收机结构中， 中频信号处理是由a /d 采样后送入 d sp 芯片， 包括 解调、滤波视频放大等均由高速 d sp 完成.这样就实现了在数字域完成信号解调和 处理11 那81 。随 着 a /d 和 d sp 技术的 发展， 数字处理越来越向 rf 端靠近. 数字中 频的使用避免了 1和 q信道之间的不均衡， 实现了完美的镜像干扰抑制。 然而， 该 体系结构需要高性能的 a / d和 dsp处理，这使整个接收机的功耗增加。 2. 4 连续波多普勒测速接收机分析和主要指标要求 不同用处， 不同性能的接收机前端设计是有所差别的。 其中根据接收机的种类及 用途不同， 接收机的电路类型亦不同，用途也不一样，但接收前端的主要用途都是: 选择信号、 放大信号、变换信号，并尽可能地抑制杂波和干扰。电路必须具有足够的 动态范围， 才不致因信号饱和而使系统产生非线性失真。 为保证电路的 动态范围， 可 以通过选择输出能力强的器件，以 保证瞬时动态范围;同时还可以采用 a gc、 m g c 、 s t c等电 路实 现增益控制， 以 保证系统的 动态范围。 可根据各级电路最大输出能力和 电 路的最输出 信号幅度，决定增益控制电 路的 接入位置。 增益控制电路愈接近输出， 插入损耗影响愈小， 系统愈稳定性， 实现愈容易， 所以在设计时， 增益控制电路应尽 量在低频段实现。 在进行射频接收机设计时， 主要考虑系统噪声系数、 接收灵敏度、 杂波抑制特性和选择特性， 以及系统实现的 难易程度及稳定性。 本文试图用一次变频 l 0 硕士论文x波段多普勒侧速接收机关键技术研究 代替多次变频实现微波接收前端的小型化， 通过与高频稳度的振荡器混频直接得到多 普勒信号， 然后通过自 动增益放大器后进行信号处理， 经有源滤波抑制千扰、 信号选 择并适量放大，整形满足trl 电平逻辑后送c p ld进行频率测量，若再加上单片机计 算、控制可实现速度的实时显示。多普勒测速接收机基本框图如下。 图2 . 41本设计的多普勒测速接收机基本框图 本文的要求是设计出 低成本的连续波多普勒雷达测速接收机， 测试某型高速动目 标速度， 进行目 标识别，高速运动目 标径向 速度范围假设大致为了 s o m /s一2 400 m / 5 ， 则相应的多普勒频率范围为50khz 一1 60khz . 测速系统采用上图所示体系结构。由于 目 标动态距离范围较大， 所以要求接收系统动态范围至少6 5 db. 为了对多普勒测速的整个系统有更深入的理解，下面利用 a ds 中的系统级仿真 功能， 对整个系统的参量进行分析， 对系统性能参量进行初步评估， 得到定性的认识。 从系统仿真拓扑图2 . 4 . 2 中可以发现， 典型多普勒测速系统的发射信号经过放大 后由 天线发射出去， 被物体目 标反射后， 被另一个天线接收， 反射信号放大后与从发 射信号中祸合过来的信号进行混频可以得到多普勒信号。 系统中关键的参量为发射频 率，距离，速度，功率，天线增益和物体的反射特性等. 对于本文实际具体采用的多普勒测速系统， 为了估算多普勒频谱， 假设发射功率 1 ， ， 运动目 标距离2 0 00m ， 物体径向 速度7 50 耐5 一2 4 00叮5 ， 采用的 接收天线增益为 1 0 db，扣除滤波插损和变频损耗，多普勒信号通过放大器放大约 3 o db。仿真设置及 结果曲 线如图2 . 4 . 3 2 . 4 . 7 所示。 硕士论文x波段多普勒渊速接收机关键技术研究 口器， 一 黑 于石 :票二二 h.为. 口.自 j.巾 月 即 口 燕 加， 月 r ， 。 之 ，. 以 了 .山 自 目 的 口 . . . .h 口丫 芯 闭 . ，二 .口. 口 j 含 .， 麟 别 . . le 一 创 明 脚肠 . 吊 加 . 鼓 叮 北 .目教- 雾 票困 .欲二 二: 器 盖 认 .，二 图2 . 4 . 2 典型多普勒雷达系统 圈 v八尺 t 人 r g e t 一a r a m e t e 尺 5 t er g d 一ang e 二 2 0 0 0 m t a r g 以 - 丫 e lo c 吐 y 二 1 50d t “g d一r o s s s e d如 n二1 协 阳 丫 e l e n 醉 h 二 3 e 8 k 泊 l r 记 r -fr 叫u e ncy dop p le r 一r e q u e n c y 二 2 “ m a g ( t a r g d 一e lo c 论 y 尸 粕 ， 晓叼卜 ste p 一d u p二 1 成 1 少d o p p le r 一r e q u e n c y ) 及叩一d u p 二 2 d 0 . 公 e p -s日 up 蘸 图2. 4. 3 高速动目 标仿真参数设置 笋瑰 甲釜七 理今 围 图 瞻 v 八 尺 s y s t e m p a r a me t e rs c a r r i e r- f r e q u e n c y 二1 0 g h z x m汀 日 日 n d wl d t h二5 0 0mh z va 尺 办 rz f 二 c a r r i e r- f re q u e n c y r e c e iy e _ b a n d w id t h 二 5 0 0 m h z t r a n s m lt-p 0 w e r 二i w r e c e ive几 g a i n 二 3 0 d b e n 丫 e lo p e e n v i f r e q 1 二 c a rr ie r- f re q u e n cy s t a p 二 s t o p _ s e t u p s t e p 二 s t e p _ s e t u p 图2. 4. 4 发射波形参数和仿真器设置 硕士论文x波段多普勒侧速接收机关键技术研究 1 0 do 冈 粗 s a s e 七 a n 口s p e c 廿 u m二 3 1 7 b 2 j l 一 1 翎 il1 翩 赢 咖 咖 赫 赢赢而 司湘。翻司翻司 启。.d口.七u，q.，玛卜 奋 网 阅电 图2 . 4 . 5 目 标径向 速度 1 5 0 0 . /s时的多普勒频谱图 sd 已 仁 七 um二 317 9 月 口 门 匕 尸 门 门 门 门 门 1 尸 门 门 门门 曰 日! 门 门 曰 曰门 一 丽一赢 一 门 门门 赢赢 门加。如司翻司 en翻。.d口.p。.q.，国，卜 渭 乙1 j 和 0 翩俪 司匆。翻司翻翻 en七.0叭健eq:叭哎几卜 加 口 . 目电. 日 口 . 阅七 图2 . 4 . 6 目 标750 . / 5 时的多普勒频谱图图2 . 4 . 7 目 标2 400 . / 5 时的多普勒频谱图 本文以 微波接收机测速为应用背景，进行x 波段多普勒测速系统的分析与设计， 进行了微波接收前端一些关键组件的设计仿真和信号处理电路的研究。 在进行多普勒测速系统微波接收前端设计时， 主要考虑系统噪声系数、 接收灵敏 度、 杂波抑制特性和选择特性， 以及系统实现的难易程度及稳定性。 在综合考虑接收 机 系统指 标要求， 分析和查阅国内 外 微波设 备 制造商 相应 产品 的 指标水 平11 9 ， 对本 文 所研究的一些关键部件指标分配如下: 微带天线: 天线中心频率为1 0gh z ， 增益大于i o db， 驻波比小于1 . 5 ， 利用微带 侧馈实现线极化，要实现更大增益则可采用串 馈阵列天线并合理布局。 带通滤波器:中心频率10 ， o g hz， 通带带宽2 00阳2 ;10. 4 g hz及9 . 印h z 频率点 处衰减大于3 5 db:带内 衰减小于z db， 起伏小于l db: 端口 反射系数小于一 z o d b. 低噪声放大器: 工作频段9 . s ghz 一1 0 . s g hz; 噪声系数nf 2 o db; 带内 平坦 度优于士 0 . s d 氏 带内 输入、 输出vs 粉续 2. 平衡混频器:工作频率1 0 g hz， 噪声系数小于i o db， 变频损耗小于1 2 db。 动态范围:测速接收系机态范围大于6 5 d bo 下面各章将围绕上述设计目 标分别进行论述。 硕士论文x波段多普勒测速接收 机关键技术研究 2. 5 本章小结 本章介绍了多普勒效应、 多普勒测速基本原理和多普勒测速系统分类及其性能的 相关知识， 随后介绍了多普勒测速系统微波接收前端常用的四种体系结构， 在此基础 上提出了 本文要研究的多普勒测速系统基本框图，接着利用 a ds 中的系统级仿真功 能对整个系统的参量进行了分析， 对系统性能参量进行初步评估， 最后， 分配了 测速 接收前端关键器件的相应指标，明确了本文的研究内容和步骤。 硕士论文x波段多普勒测速接收机关键技术研究 3 微波接收前端一些关键组件的电路设计 3. ，线极化微带天线设计 微带 天 线 是一 种使 用微 带 贴片 作 为 辐 射元的 天线 1201。 微带 天 线的 概念 早 在1 9 5 3 年 就由 n e c a . p s 提出 来t 。 ， 11221， 在1 9 5 5 年由 法国 的 c u t t o n 和b a i s s i n o t 发表t 专 利。 然而， 2 0 年过去了， 能够实用的天线还没有制造出来. 70年代期间，由于取得了具有 低损耗角正切特性和有吸引力的热特性及机械特性的良 好基片， 改进的照相平板印刷 技术和更好的理论模型， 微带天线的开发得到了加速。 第一个实用的天线是由 h owell 和m imson 研制的， 从那时起， 人们对微带天线和阵列进行了 广泛的研究和开发。由 于 微 带 天 线 具 有 体 积 小、 重 量 轻 、 低 剖 面、 能 与 载 体 共 形、 制 造 简单、 成 本 低 等 特点 123 j， 同时微带天线可与一些微带集成电路一起构成小型化的系统，因此，在通信、雷达、 测速及现代小型化技术领域中 ，微带天线得到了 广泛的应用。 微带天线中应用的最为 广 泛的 是 微带贴片 天线网. 微 带 贴片天线具有效 率高 、 体 积小、 共形性好 等特点。 尤 其是其共形特点，即可将微带天线贴在载体或设备的外壳上，而不用另外占用空间， 因 此微带 贴片 天线 受到了 广泛的 应用125 1. 3. l i贴片单元设计 最常用的 微带贴片天线形状是 矩形阴. 矩形贴片天线示意图如图3 . 1 . 1 。 微带贴片天线 图3 . 1 . 1 矩形贴片天线示意图 微带天线可采用矩形、 圆形、 环形和三角性等贴片形状， 它们各有其特点， 但在 设计制作时， 考虑到制板和微带线馈电 及匹配等因素， 一般常采用矩形贴片。 通常天 线的 馈电 方式都是在贴片一边的中心馈电， 由 于馈电 点所在的 边和辐射边平行， 辐射 边 是 均 匀 分 布， 因 而 激 励 起 工 作 模 为tm。 : 。 这 样 形 成 的 极 化 形 式为 线 极 化。 贴 片 单 元 的 尺 寸 的 计 算 为 12 飞 硕士论文x波段多普勒侧速接收机关键技术研究 - - 一 一 - ，。 (2丫 ， 早 兀 觅及 : 伴 =二 ， 犷 1 1 z jo戈 e ， + 1 ) ( 3 . 1 . 1 .